Благоприятные условия для топографического фронтогенеза создаются, где полярные льды граничат с тёплыми водами Гольфстрима.

В качестве мнимого фронта могут выступать так называемые, «каменные фронты». Например, существенной границей между побережьем Охотского моря и внутренними континентальными районами является Охотско-Колымское нагорье с хребтами Колымским и Гыданом, разделяющее холодные массы континентального воздуха и относительно тёплые воздушные массы Охотского моря.

Как известно, непрерывность давления накладывает ограничения на ориентацию фронтальной поверхности – она должна быть наклонной (с наклоном в сторону холодной воздушной массы). Горная цепь здесь исполняет роль фронтальной поверхности, разделяя существенно различающиеся воздушные массы по обе стороны от хребтов. Но здесь имеет место разрыв в поле давления, создающийся вследствие почти полного отсутствия переноса воздуха в нижних слоях атмосферы через горы и наиболее резко проявляющийся у поверхности Земли. При значительных контрастах температуры и влажности воздушных масс по обе стороны от хребта, при большой густоте изобар ветры у Земли остаются слабыми: хребет препятствует выравниванию разностей давления, играя роль «каменного фронта».

11.10. Образование и размывание атмосферных фронтов

Адвекция в атмосфере играет основную роль в междуширотном обмене воздуха. Особенно интенсивна она при циклонической и антициклонической деятельности. В результате междуширотного обмена происходит перераспределение тепла и холода.

При этом между высокими холодными циклонами и высокими тёплыми антициклонами возникают зоны перехода в виде сгущения изогипс – высотные фронтальные зоны (ВФЗ), где концентрируются огромные запасы энергии, которая расходуется, в том числе, и на формирование циклонов и антициклонов, образование и активизацию атмосферных фронтов.

Втыловой части ВФЗ, называемой входом фронтальной зоны тропосферы, в направлении воздушных течений отмечается сходимость изогипс АТ и увеличение горизонтальных градиентов давления и температуры.

Впередней части ВФЗ, называемой дельтой фронтальной зоны тропосферы, в направлении воздушных течений отмечается расходимость изогипс АТ и уменьшение горизонтальных градиентов давления и температуры.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

Значительная адвекция масс воздуха в ВФЗ приводит к процессам фронтогенеза и фронтолиза.

iФронтогенез – это возникновение новых атмосферных фронтов или усиле-

ние существующих, фронтолиз – размывание фронтов

Процессы фронтогенеза и фронтолиза связаны с деформацией высотной фронтальной зоны.

Фронтогенез определяется увеличением горизонтальных градиентов температуры между массами воздуха, обладающими различными свойствами, фронтолиз – уменьшением горизонтальных градиентов температуры между этими массами воздуха.

Процессы фронтогенеза и фронтолиза проявляются в деформационных полях тропосферы. Деформационные поля атмосферы – это термобарические поля тропосферы, образованные двумя парами накрест лежащих циклонов и антициклонов с соответствующими им очагами тепла и холода.

Различают симметричные и асимметричные деформационные поля. Если компоненты деформационного поля тропосферы имеют приблизительно одинаковую интенсивность, такое поле называется симметричным (рис. 11.13).

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

Водной части поля частицы воздуха, сближаются между собой, в другой – расходятся. Деформационное поле имеет оси растяжения и сжатия: ось растяжения, вдоль которой растекающиеся воздушные массы сходятся во входе в ВФЗ, является фронтогенетической, а ось сжатия, вдоль которой сближающиеся потоки расходятся в дельте ВФЗ, является фронтолитической осью.

Вреальных условиях атмосферы симметричные деформационные поля наблюдаются редко, т.к. наличие неоднородностей подстилающей поверхности и неравномерного притока тепла приводит к образованию барических центров различной интенсивности. Деформационные поля тропосферы, как правило, имеют асимметричную форму и большую пространственную протяженность, порядка континента или большой его части (рис. 11.14).

Н

Н

Высотная фронтальная зона

В

Рис. 11.14. Асимметричное деформационное поле тропосферы

Различают два вида фронтогенетических (фронтолитических) процессов – тропосферный и приземный фронтогенез (фронтолиз).

Тропосферный фронтогенез (фронтолиз) обычно охватывает всю толщу тропосферы или значительную часть её. Существование тропосферных фронтов связано с тропосферным фронтогенезом.

Приземный фронтогенез (фронтолиз) характеризуется увеличением (уменьшением) горизонтальных градиентов температуры, обусловленных сходимостью или расходимо-

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

стью течений в приземном слое. Существование приземных фронтов связано с приземным фронтогенезом.

Интенсивность приземного фронтогенеза (фронтолиза) определяется увеличением (уменьшением) контраста температур либо у поверхности Земли, интенсивность тропосферного фронтогенеза (фронтолиза) – увеличением (уменьшением) температурных контрастов во всей толще тропосферы.

Карты барической топографии показывают, что поле температуры на изобарических поверхностях непрерывно, хотя во фронтальных зонах имеет место значительное увеличение горизонтальных температурных градиентов. Разрывы в поле температур могут иметь место лишь в приземном слое. Они наблюдаются в зонах фронтов в глубоких ложбинах развивающихся циклонов, где имеется дополнительный фронтогенетический фактор, а именно, сходимость приземного ветра, обусловленная отклонением действительного ветра от градиентного вследствие трения.

Тропосферный фронтогенез (фронтолиз), будучи непрерывно связанным с процессами цикло- и антициклогенеза, а также с преобразованием деформационных полей тропосферы, позволяет предвидеть ожидаемое развитие процессов в тропосфере.

Приземный же фронтогенез (фронтолиз), развиваясь в слое трения, не может играть существенной роли в общем развитии процессов тропосферы.

Однако в характер погоды приземные фронты могут вносить весьма большие изменения, главным образом, в отношении развития облачности, осадков и ветра, особенно при наличии неустойчивой стратификации воздуха.

Фронтогенез и фронтолиз осуществляются непосредственно под влиянием адвективных и динамических факторов. Адвективные факторы определяют кинематику фронтогенеза и фронтолиза, не влияя непосредственно на эволюцию процессов, связанных с ними. Динамические факторы определяют динамику фронтогенеза и фронтолиза и обусловливают непосредственно эволюцию тропосферных процессов.

11.10.1Фронтогенез и фронтолиз во входе и дельте фронтальной зоны тропосферы

Условия фронтогенеза и фронтолиза как во входе, так и в дельте фронтальной зоны тропосферы будут определяться величиной угла между изотермами и осью растяжения или сжатия. Эти оси являются осями симметрии фронтальной зоны. Около них, по суще-

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

ству, происходит сгущение или разрежение изотерм, приводящее соответственно к увеличению или уменьшению горизонтальных градиентов температуры.

Схематически условия фронтогенеза и фронтолиза в области входа и дельты фронтальной зоны тропосферы представлены на схемах (рис. 11.15 и 11.16).

Рис. 11.15а характеризует структуру термобарического поля тропосферы входа фронтальной зоны, характеризующуюся сходимостью изогипс при углах между изотермами и изогипсами и осью растяжения менее 45°. Поле течений направлено так, что адвекция более низких температур с севера (адвекция холода) так же как и адвекция более высоких температур с юга (адвекция тепла), увеличивают горизонтальные градиенты температуры непосредственно около самой оси растяжения. Такое термобарическое поле является наиболее благоприятным для фронтогенеза.

Изотермы

Изотермы

Изогипсы

Изогипсы

Рис. 11.15. Схемы осуществления условий фронтогенеза

в области входа (a) и дельты (b) фронтальной зоны тропосферы

На рис. 11.15b представлена дельта фронтальной зоны, характеризующаяся расходящейся системой течений, где изотермы с осью сжатия образуют угол больше 45°. Расходящееся поле течений в данном случае способствует сгущению изотерм: скорости течений в центральной и тыловой части значительно больше, чем в передней. Поэтому изотермы передней части схемы ещё не успевают отойти, а изотермы тыловой части быстро к ним приближаются.

Такая структура термобарического поля является наиболее благоприятной для фронтогенеза в дельте.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

На рис. 11.16a во входе фронтальной зоны тропосферы изотермы образуют с осью растяжения угол больший 45°. В этом случае, хотя поле течений изображено таким же, как и на первой схеме, но вследствие больших углов оно уже приводит не к сближению изотерм вдоль оси растяжения, а к разрежению их.

Разрежение изотерм (фронтолиз) происходит потому, что скорости в передней части входа больше, чем в тыловой. Вследствие этого, изотермы, находящиеся в передней части схемы перемещаются быстрее, чем успевают приближаться следующие за ними изотермы.

Такая структура термобарического поля является наиболее благоприятной для фронтолиза.

Изотермы Изотермы

Изогипсы Изогипсы

Рис. 11.16. Схемы осуществления условий фронтолиза

в области входа (a) и дельты (b) фронтальной зоны тропосферы

На рис. 11.16b, также в дельте фронтальной зоны тропосферы, изотермы с осью сжатия образуют угол меньше 45°. В этом случае расходящееся поле течений приводит уже к разрежению изотерм вдоль оси сжатия: с одной стороны (выше оси) изотермы поднимаются на север, а с другой (ниже оси) – опускаются на юг.

Данное термобарическое поле является благоприятным для фронтолиза.

Из условий кинематики тропосферного фронтогенеза и фронтолиза следует:

•Тропосферный фронтогенез имеет место в системе сходящихся изогипс при углах адвекции меньше 45° и в системе расходящихся изогипс при углах адвекции больше 45°;

•Тропосферный фронтолиз имеет место в системе сходящихся изогипс при углах адвекции больше 45° и в системе расходящихся изогипс при углах адвекции меньше 45°.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

11.10.2. Динамические изменения давления, обусловленные структурой термобарического поля тропосферы

Нельзя забывать, что структура термобарического поля определяет динамический рост или падение давления. Кинематические условия фронтогенеза характеризуют одновременно и условия динамического роста давления, а условия фронтолиза – условия динамического падения давления.

Динамические изменения давления обусловливают эволюцию барического поля, выражающуюся в углублении или заполнении циклонов и ложбин, усилении и разрушении антициклонов и гребней.

Формулу для локального изменения во времени давления можно записать в следующем виде, используя обозначения натуральной системы координат (рис. 11.17):

Рис. 11.17. Взаимное расположение изогипс и изотерм при адвекции холода (слева) и тепла и обозначения осей в натуральной системе координат

(ось Х – касательная к изогипсе Н, обозначается S, ось Y направлена в сторону убывания Н – противоположно направлению нормали n, Т – изотерма, v – нормаль к изотерме, направлена

всторону более высоких температур воздуха)

Внатуральной системе приняты следующие обозначения:

Здесь:

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

Hn – градиент геопотенциала, величина положительная,

Hs – изменение геопотенциала по потоку, величина, равная 0 (H=const),

Hns – изменение градиента геопотенциала по потоку (при сходимости изогипс

Hns > 0 , при расходимости Hns < 0 ),

Hnn – изменение градиента по нормали к изогипсам (при сгущении изогипс в сто-

рону высокого давления Hnn > 0 , при сгущении изогипс в сторону низкого давления

Hnn < 0 ),

Hss – составляющая, учитывающая кривизну изогипс κ : при циклонической кри-

визне Hss = κH n > 0 ( κ >0), при антициклонической – Hss = κHn < 0 ( κ <0),

Hnns – изменение градиента геопотенциала по потоку и вдоль нормали.

Тогда в натуральной системе координат можно записать:

по второму приближению.

k1 и k1 – положительные коэффициенты,

Тν – численное значение горизонтального градиента температуры ( ∂∂νT ),

Нn – численное значение горизонтального градиента геопотенциала на поверхности

АТ700,

Нns – изменение градиента геопотенциала (густоты изогипс) в направлении движе-

ния,

Нnn – изменение градиента геопотенциала в направлении нормали к изогипсам в сторону увеличивающихся значений геопотенциала,

r – радиус кривизны изогипс (положительный при циклонической кривизне изогипс, отрицательный при антициклонической),

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии

Угол между изогипсами Н и изотермами Т обозначается ξ и отсчитывается от изогипсы к изотерме. При этом углы адвекции считаются положительными при отклонении изотерм влево от изогипс, что соответствует адвекции холода, и отрицательными, если изотермы отклоняются вправо от изогипс, что соответствует адвекции тепла.

•Динамическое изменение давления, как следует из формулы (11.10.1), зависит от квадрата горизонтального градиента температуры. Следовательно, интенсивность динамических изменений быстро возрастает с увеличением горизонтальных контрастов температуры.

•Динамическое изменение давления, кроме зависимости от квадрата горизонтального градиента температуры, определяется сходимостью или расходимостью изогипс, их сгущением или разрежением вдоль нормали, а также от их кривизны.

•Если структура термобарического поля тропосферы такова, что изогипсы пересекаются с изотермами под углами, меньшими 45°, то в области сходящихся изогипс всегда будет иметь место динамический рост давления, а в области расходящихся – динамическое падение давления.

•Если изогипсы пересекаются с изотермами под углами, большими 45°, то, наоборот, в области сходящихся изогипс будет иметь место динамическое падение давления, а в области расходящихся изогипс – динамический рост давления.

•Если изогипсы и изотермы пересекаются под углами, равными 45, то динамическое изменение давления равно нулю как в области сходящихся, так и расходящихся изогипс.

•При параллельности изогипс и изотерм наибольший рост давления будет иметь место в области сходимости изогипс, наибольшее падение давления в области расходимости изогипс.

•При углах адвекции 90° наибольший рост давления происходит в области расходимости изогипс, наибольшее падение – в области сходимости изогипс.

iДинамический рост давления всегда имеет место во входе фронтальной зо-

ны при углах адвекции меньше 45° и в дельте при углах адвекции больше

45°.

iДинамическое падение давления имеет место во входе фронтальной зоны

тропосферы при углах адвекции больше 45° и в дельте при углах адвекции меньше 45°.

Н.А. Дашко Курс лекций по синоптической метеорологии